JP2016505382A - エンジンコンポーネントを製造する方法、エンジンコンポーネント、および、アルミニウム合金の使用 - Google Patents

エンジンコンポーネントを製造する方法、エンジンコンポーネント、および、アルミニウム合金の使用 Download PDF

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Abstract

アルミニウム合金が重力鋳造法を使って鋳造される、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストンを製造する方法であって、アルミニウム合金は、シリコン：９重量％から１０．５重量％以下、ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満、銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満、コバルト：１重量％未満、マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％、鉄：０．１重量％から０．７重量％、マンガン：０．１重量％から０．４重量％、ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満、リン：０．００４重量％から０．００８重量％、および残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物の元素を含む方法が説明される。また、少なくとも一部がアルミニウム合金からなるエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストン、および、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジンのピストンを製造するためのアルミニウム合金の使用が説明される。

Description

本発明は、エンジンコンポーネントを製造および使用する方法に関する。特に、重力鋳造方法を使って鋳造されたアルミニウム合金を有する内燃エンジン用ピストン、アルミニウム合金を少なくとも部分的に有するエンジンコンポーネント、および、このエンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。
近年、経済的かつ環境にやさしい輸送手段に対する要求が高まってきた。それは、高い消費量および排出要求と一致しなければならない。またつねに、できるだけ高い性能およびできるだけ低コストのエンジン設計に対する要求が存在する。より高い内燃温度および内燃圧力で使用可能であり、より高い性能のピストン材料によって製造することが必須であるピストンは、高性能かつ低排出内燃エンジンの開発において決定的な要因である。
内燃エンジン用のピストンは基本的に高い熱抵抗を有し、同時に、できるだけ軽くかつ強固でなければならない。特に重要なのは、マイクロ構造分布、モフォロジー、組成および高い熱抵抗フェーズの熱安定性がどのように構成されるかである。これに関して通常は、気孔率および酸化物の含有率を最小化することで最適化することを考慮している。
求められる材料は、等温疲労強度（ＨＣＦ）および熱機械的疲労強度（ＴＭＦ）の両方に関して最適化されなければならない。ＴＭＦを最適に構成するために、つねに最高のマイクロ構造が材料に求められる。最高のマイクロ構造は、比較的大きな一次フェーズ（特に初期のシリコン沈殿）において、ミクロ塑性またはマイクロクラックの発生のリスクを減少させ、クラック発生およびクラック成長のリスクも減少させる。
ＴＭＦストレスの下で、ピストン材料の寿命をかなり減少させるミクロ塑性および／または、マイクロクラックが比較的大きな一次フェーズで発生する。合金、つまり、マトリクスおよび一次フェーズの個々の成分の膨張率の違いによって、特に、一次シリコン沈殿において、生じやすい。寿命を長くするために、一次フェーズをできるだけ小さく維持することが知られている。
重力鋳造法の使用において、合金元素が導入されるべき濃度の上限値が存在する。もし、この上限値を超えれば、合金の鋳造性能が減少するか、または、鋳造が不可能となる。また、強化元素の濃度が高すぎると、大きな板状の金属間フェーズが形成される。それは疲労強度を劇的に減少させる。
独国特許第４４０４４２０Ａ１号は、高温および高い機械的ストレスに曝されるピストンおよびコンポーネントに特に使用される合金を開示する。開示されるアルミニウム合金は、８．０から１０．０重量％のシリコン、０．８から２．０重量％のマグネシウム、４．０から５．９重量％の銅、１．０から３．０重量％のニッケル、０．２から０．４重量％のマンガン、０．５重量％未満の鉄、ならびに、アンチモン、ジルコニウム、チタン、ストロンチウム、コバルト、クロム、および、バナジウムから選択された少なくともひとつを有する。これらの元素は、０．３重量％より多く存在し、かつ、これらの元素の合計は０．８重量％未満である。
欧州特許第０９２４３１０Ｂ１号は、ピストン、特に、内燃エンジン用ピストンを製造するために使用されるアルミニウム／シリコン合金を説明する。アルミニウム合金は以下の組成を有する。１０．５から１３．５重量％のシリコン、２．０から４．０重量％未満の銅、０．８から１．５重量％のマグネシウム、０．５から２．０重量％のニッケル、０．３から０．９重量％のコバルト、少なくとも２０ｐｐｍのリン、および、０．０５から０．２重量％のチタン、または、０．２重量％以下のジルコニウムおよび／または０．２重量％以下のバナジウムのいずれかと、残りはアルミニウムおよび除去不能な不純物である。
国際公開第００／７１７６７Ａ１号は、例えば、頑丈なピストンまたは内燃エンジン内で使用する他の部品などの高温での応用に適したアルミニウム合金を説明する。アルミニウム合金は、６．０から１４．０重量％のシリコン、３．０から８．０重量％の銅、０．０１から０．８重量％の鉄、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．０５から１．２重量％のニッケル、０．０１から１．０重量％のマンガン、０．０５から１．２重量％のチタン、０．０５から１．２重量％のジルコニウム、０．０５から１．２重量％のバナジウム、０．００１から０．１０重量％のストロンチウム、残りはアルミニウムの元素組成からなる。
独国特許第１０３３３１０３Ｂ３号は、アルミニウム鋳造合金から製造されたピストンを開示する。当該アルミニウム鋳造合金は、０．２重量％以下のマグネシウム、０．０５から０．３重量％のチタン、１０から２１重量％のシリコン、２から３．５重量％の銅、０．１から０．７重量％の鉄、１から３重量％のニッケル、０．００１から０．０２重量％のリン、０．０２から０．３重量％のジルコニウム、残りはアルミニウムおよび不純物を含む。また、ピストン内に存在する非金属物質の大きさは１００μｍ未満であると記載されている。
欧州特許第１９７５２６２Ｂ１号は、アルミニウム鋳造合金を説明する。当該アルミニウム鋳造合金は、６から９重量％のシリコン、１．２から２．５重量％の銅、０．２から０．６重量％のマグネシウム、０．２から３重量％のニッケル、０．１から０．７重量％の鉄、０．１から０．７重量％のマンガン、０．９０１から０．５重量％のバナジウム、および、０．００３から０．０５重量％のストロンチウム、０．０２から０．２重量％のアンチモン、および、０．００１から０．０３重量％のナトリウムの一つ以上を含む。チタンとジルコニウムの合計は０．５重量％未満であり、合計が１００％に設定された場合の残りは、アルミニウムおよび不純物である。
国際公開第２０１０／０２５９１９Ａ２号は、内燃機関エンジンのピストンを製造するための方法を説明する。ピストンブランクは比例する量の銅を添加しながらアルミニウム／シリコン合金から鋳造され、その後フィニッシュされる。したがって、最大５．５重量％のアルミニウム／シリコン合金に対して比例する量の銅、比例する量のチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）および／またはバナジウム（Ｖ）が、アルミニウム／シリコン合金内に混合され、すべての成分の合計が１００％となる。
独国特許第１０２０１１０８３９６９号は、エンジンコンポーネントを製造するための方法に関し、特に、アルミニウム合金が重力鋳造法を使って鋳造される内燃エンジン用のピストンに関し、また、アルミニウム合金を少なくとも部分的に含むエンジンコンポーネントに関し、および、エンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。アルミニウム合金は、６から１０重量％のシリコン、１．２から２重量％のニッケル、８から１０重量％の銅、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．１から０．７重量％の鉄、０．１から０．４重量％のマンガン、０．２から０．４重量％のジルコニウム、０．１から０．３重量％のバナジウム、０．１から０．５重量％のチタン、残りはアルミニウムおよび除去不能な不純物を含む。この合金は好適には、３０ｐｐｍ未満のリンを有する。
本願発明のひとつの目的は、重力鋳造法を使って高い熱抵抗を有するエンジンコンポーネントを生成するべく、重力鋳造方法を使って鋳造されるアルミニウム合金、特に、内燃エンジン用のピストンであるエンジンコンポーネントを製造する方法を与えることである。
この目的は、請求項１に記載の方法によって解決される。また本願発明の好適な実施形態はその従属項から明らかである。
本願発明の他の目的は、高い熱抵抗を有し、少なくとも部分的にアルミニウム合金を有する、特に、内燃エンジン用のピストンエンジンコンポーネントを与えることである。
この目的は請求項８に記載の発明主題によって解決される。さらに好適な実施形態はその従属項から明らかである。
本願発明に従う方法において、アルミニウム合金は、
シリコン：９重量％から１０．５重量％以下
ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満
銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満
コバルト：１重量％未満
マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％
鉄：０．１重量％から０．７重量％
マンガン：０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満
バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満
チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：０．００４重量％から０．００８重量％
残りは、アルミニウムおよび避けられない不純物
の元素を含む。
アルミニウム合金は、好適には、約９から約１０．５以下、さらに好適には、約１０未満、特に好適には約９．５未満、または、さらに好適には、約９．５から約１０．５重量％のシリコンと、
好適には約２．３より大きい、さらに好適には約３より大きく約３．５未満、またはさらに好適には約２．５からより好適には約２．９から約３重量％のニッケルと、
好適には約３．８より大きい、さらに好適には約４より大きく、特に好適には約４．８より大きく約５．２まで、またはさらに好適には約３．７より大きく約５未満、特に好適には４未満、またはさらに好適には約４であり、特に好適には約４．１から約４．６重量％の銅と、
好適には、約０．５より大きく、さらに好適には約０．９より大きく、約１重量％未満のコバルトと、
好適には約０．５、さらに好適には約０．６より大きく、特に約０．７から約１．５未満で、さらに好適には約０．８未満、さらに好適には約１より大きく、さらに好適には約１．３より大きく、約１．５重量％以下のマグネシウムと、
好適には約０．５より大きく、さらに好適には約０．６より大きく約０．７以下、または、さらに好適には約０．４５から約０．５重量％以下の鉄と、
好適には約０．１から約０．２未満、またはさらに好適には約０．２５より大きく約０．４重量％以下のマンガンと、
好適には約０．１２から、さらに好適には約０．１３から約０．１９重量％のジルコニウムと、
好適には約０．１２から約０．１４重量％のバナジウムと、
好適には約０．０５から約０．１５未満、または、さらに好適には約０．１１、特に好適には約０．１２より大きく、約０．１３重量％未満のチタンと、
好適には約０．００５から約０．００６重量％のリンとを含む。
選択したアルミニウム合金により、重力鋳造法を使ってエンジンコンポーネントを製造することが可能になる。それは、精密度の高いプロポーション分布と、高温耐性、熱安定性フェーズおよび精密マイクロ構造を有する。本願発明に従う合金を選択することで、例えば、酸化時または一次フェーズにおけるクラック発生およびクラック成長の感受性、ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命が、ピストンおよび類似のエンジンコンポーネントを製造するための周知の方法に比べて減少する。
本願発明に従う合金、特に、比較的低いシリコン含有量は、本願発明に従って製造されたピストンの高い熱ストレスがかかる少なくともボウルリム領域において、比較的低くかつより精密な一次シリコンを導く。その結果、合金は本願発明に従って製造されるピストンの特に良好な特性を導く。高い熱抵抗のエンジンコンポーネントは、重力鋳造方法を使って製造可能となる。本願発明に従う銅、ジルコニウム、バナジウム、および、チタンの比率は、特に、ジルコニウム、バナジウムおよびチタンの比較的高い比率は、大きな板状の金属間フェーズを生じさせることなく、沈殿物を強化する有利なプロポーションを製造する。本願発明に従うコバルトおよびニッケルのプロポーションは、合金の熱抵抗を増加させるためにさらに有利である。それにより、ニッケルは熱的に安定な金属間フェーズを形成するのに寄与する。また、コバルトは硬度を増加させ、一般に合金の強度を増加させる。核形成剤としてのリンは、一次シリコン沈殿物ができるだけ精密かつ均一に分布するように沈殿することを保証するのを助ける。
アルミニウム合金は、好適には、０．６重量％から０．８重量％のマグネシウムを有する。それは、好適な濃度範囲において、過度の酸素形成を生じさせることなく特に二次強化フェーズの有効な形成に寄与する。合金は、さらに、付加的または代替的に、好適には０．４重量％から０．６重量％の鉄を有する。これは、鋳造モールド内の合金の接着性を減少させる。それにより、板状フェーズの形成は、上述した濃度範囲に制限されたままとなる。
アルミニウム合金中のマンガンに対する鉄の重量比率は、多くても約５：１が有利であり、好適には、約２．５：１である。この実施形態において、アルミニウム合金は、マンガンの一部に対して多くとも５部の鉄を含み、好適には一部のマンガンに対して約２．５部の鉄を有する。エンジンコンポーネントの特に有利な強度特性はこの比率によって達成される。
より好適には、ニッケルおよびコバルトの合計は、２．０重量％より大きく、３．８重量％未満である。したがって下限値は合金の有利な強度を保証し、上限値は精密なマイクロ構造を有利に保証し、かつ、強度を減少させる板状フェーズの形成を防止する。
アルミニウム合金は、有利なことに、特に、高いストレスがかかるボウルリム領域において、低含有率の気孔および含有物、および／または、微量のシリコンを含む精密なマイクロ構造を有する。低含有率の気孔は、好適には、０．０１％の気孔率として理解される。少量の一次シリコンは１％未満として理解される。精密なマイクロ構造はさらに有利には、一次シリコンの平均長が約５μｍ未満であり、その最大長が約１μｍ未満である。また、金属間フェーズおよび／または一次沈殿物は、約３０μｍ、多くても５０μｍ未満の平均長を有する。
アルミニウム合金にとって、特にボウルリム領域において、シリコン沈殿の面積平均値が、約１００μｍ２未満で、および／または、金属間フェーズの面積平均値が約２００μｍ２未満であることは、さらに好適である。
アルミニウム合金のマイクロ構造の特性は、定量的マイクロ構造解析によって好適に得られる。この目的のために金属組織断面がまず準備され、特に、技術的に重要なボウルリム領域に対応する顕微鏡写真が光学顕微鏡を使って撮られる。倒立光学顕微鏡が代わりに使用されてもよい。個々の画像は、定義された大きさで取られ、コンピュータによって、ある面積（例えば、５．５ｍｍ×４．１ｍｍ）に組み立てられる。特定フェーズの領域および領域プロポーションは画像処理ソフトウエアによって決定される。
精密なマイクロ構造は、熱機械的疲労強度を改善するのに特に寄与する。一次フェーズのサイズを制限することは、クラックの発生および成長の感度を減少させることができる。したがって、ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命を有意に増加させる。気孔および含有物のノッチ効果により、その含有量を低く保つことがさらに有利である。
本願発明に従うエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジンのピストンは、少なくともひとつの上述したアルミニウム合金からなる。本願発明のさらなる態様は、エンジンコンポーネントの製造用に上述したアルミニウム合金の使用にある。開示されたアルミニウム合金は重量鋳造法を使って特に処理される。
実施例
上述したアルミニウム合金の実施例である合金１は、１０．５重量％のシリコン、３重量％のニッケル、４．１重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１３重量％のジルコニウム、０．１２重量％のバナジウム、０．１３重量％のチタン、および、０．００６重量％のリンを有する。合金２は、９．５重量％のシリコン、２．９重量％のニッケル、４．０重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．４５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１２重量％のジルコニウム、０．１２重量％のバナジウム、０．１２重量％のチタン、および、０．００６重量％のリンを有する。合金３は、９．５重量％のシリコン、２．５重量％のニッケル、４．６重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．４５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１９重量％のジルコニウム、０．１４重量％のバナジウム、０．１１重量％のチタン、および、０．００５重量％のリンを有する。それぞれの例において、残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物である。
独国特許第４４０４４２０Ａ１明細書 欧州特許第０９２４３１０Ｂ１号明細書 国際公開第００／７１７６７Ａ１号 独国特許第１０３３３１０３Ｂ３号明細書 欧州特許第１９７５２６２Ｂ１号明細書 国際公開第２０１０／０２５９１９Ａ２号 独国特許第１０２０１１０８３９６９号明細書
本発明は、エンジンコンポーネントを製造および使用する方法に関する。特に、重力鋳造方法を使って鋳造されたアルミニウム合金を有する内燃エンジン用ピストン、アルミニウム合金を少なくとも部分的に有するエンジンコンポーネント、および、このエンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。
近年、経済的かつ環境にやさしい輸送手段に対する要求が高まってきた。それは、高い消費量および排出要求と一致しなければならない。またつねに、できるだけ高い性能およびできるだけ低コストのエンジン設計に対する要求が存在する。より高い内燃温度および内燃圧力で使用可能であり、より高い性能のピストン材料によって製造することが必須であるピストンは、高性能かつ低排出内燃エンジンの開発において決定的な要因である。
内燃エンジン用のピストンは基本的に高い熱抵抗を有し、同時に、できるだけ軽くかつ強固でなければならない。特に重要なのは、マイクロ構造分布、モフォロジー、組成および高い熱抵抗フェーズの熱安定性がどのように構成されるかである。これに関して通常は、気孔率および酸化物の含有率を最小化することで最適化することを考慮している。
求められる材料は、等温疲労強度（ＨＣＦ）および熱機械的疲労強度（ＴＭＦ）の両方に関して最適化されなければならない。ＴＭＦを最適に構成するために、つねに最高のマイクロ構造が材料に求められる。最高のマイクロ構造は、比較的大きな一次フェーズ（特に初期のシリコン沈殿）において、ミクロ塑性またはマイクロクラックの発生のリスクを減少させ、クラック発生およびクラック成長のリスクも減少させる。
ＴＭＦストレスの下で、ピストン材料の寿命をかなり減少させるミクロ塑性および／または、マイクロクラックが比較的大きな一次フェーズで発生する。合金、つまり、マトリクスおよび一次フェーズの個々の成分の膨張率の違いによって、特に、一次シリコン沈殿において、生じやすい。寿命を長くするために、一次フェーズをできるだけ小さく維持することが知られている。
重力鋳造法の使用において、合金元素が導入されるべき濃度の上限値が存在する。もし、この上限値を超えれば、合金の鋳造性能が減少するか、または、鋳造が不可能となる。また、強化元素の濃度が高すぎると、大きな板状の金属間フェーズが形成される。それは疲労強度を劇的に減少させる。
独国特許第４４０４４２０Ａ１号は、高温および高い機械的ストレスに曝されるピストンおよびコンポーネントに特に使用される合金を開示する。開示されるアルミニウム合金は、８．０から１０．０重量％のシリコン、０．８から２．０重量％のマグネシウム、４．０から５．９重量％の銅、１．０から３．０重量％のニッケル、０．２から０．４重量％のマンガン、０．５重量％未満の鉄、ならびに、アンチモン、ジルコニウム、チタン、ストロンチウム、コバルト、クロム、および、バナジウムから選択された少なくともひとつを有する。これらの元素は、０．３重量％より多く存在し、かつ、これらの元素の合計は０．８重量％未満である。
欧州特許第０９２４３１０Ｂ１号は、ピストン、特に、内燃エンジン用ピストンを製造するために使用されるアルミニウム／シリコン合金を説明する。アルミニウム合金は以下の組成を有する。１０．５から１３．５重量％のシリコン、２．０から４．０重量％未満の銅、０．８から１．５重量％のマグネシウム、０．５から２．０重量％のニッケル、０．３から０．９重量％のコバルト、少なくとも２０ｐｐｍのリン、および、０．０５から０．２重量％のチタン、または、０．２重量％以下のジルコニウムおよび／または０．２重量％以下のバナジウムのいずれかと、残りはアルミニウムおよび除去不能な不純物である。
国際公開第００／７１７６７Ａ１号は、例えば、頑丈なピストンまたは内燃エンジン内で使用する他の部品などの高温での応用に適したアルミニウム合金を説明する。アルミニウム合金は、６．０から１４．０重量％のシリコン、３．０から８．０重量％の銅、０．０１から０．８重量％の鉄、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．０５から１．２重量％のニッケル、０．０１から１．０重量％のマンガン、０．０５から１．２重量％のチタン、０．０５から１．２重量％のジルコニウム、０．０５から１．２重量％のバナジウム、０．００１から０．１０重量％のストロンチウム、残りはアルミニウムの元素組成からなる。
独国特許第１０３３３１０３Ｂ３号は、アルミニウム鋳造合金から製造されたピストンを開示する。当該アルミニウム鋳造合金は、０．２重量％以下のマグネシウム、０．０５から０．３重量％のチタン、１０から２１重量％のシリコン、２から３．５重量％の銅、０．１から０．７重量％の鉄、１から３重量％のニッケル、０．００１から０．０２重量％のリン、０．０２から０．３重量％のジルコニウム、残りはアルミニウムおよび不純物を含む。また、ピストン内に存在する非金属物質の大きさは１００μｍ未満であると記載されている。
欧州特許第１９７５２６２Ｂ１号は、アルミニウム鋳造合金を説明する。当該アルミニウム鋳造合金は、６から９重量％のシリコン、１．２から２．５重量％の銅、０．２から０．６重量％のマグネシウム、０．２から３重量％のニッケル、０．１から０．７重量％の鉄、０．１から０．７重量％のマンガン、０．９０１から０．５重量％のバナジウム、および、０．００３から０．０５重量％のストロンチウム、０．０２から０．２重量％のアンチモン、および、０．００１から０．０３重量％のナトリウムの一つ以上を含む。チタンとジルコニウムの合計は０．５重量％未満であり、合計が１００％に設定された場合の残りは、アルミニウムおよび不純物である。
国際公開第２０１０／０２５９１９Ａ２号は、内燃機関エンジンのピストンを製造するための方法を説明する。ピストンブランクは比例する量の銅を添加しながらアルミニウム／シリコン合金から鋳造され、その後フィニッシュされる。したがって、最大５．５重量％のアルミニウム／シリコン合金に対して比例する量の銅、比例する量のチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）および／またはバナジウム（Ｖ）が、アルミニウム／シリコン合金内に混合され、すべての成分の合計が１００％となる。
独国特許第１０２０１１０８３９６９号は、エンジンコンポーネントを製造するための方法に関し、特に、アルミニウム合金が重力鋳造法を使って鋳造される内燃エンジン用のピストンに関し、また、アルミニウム合金を少なくとも部分的に含むエンジンコンポーネントに関し、および、エンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。アルミニウム合金は、６から１０重量％のシリコン、１．２から２重量％のニッケル、８から１０重量％の銅、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．１から０．７重量％の鉄、０．１から０．４重量％のマンガン、０．２から０．４重量％のジルコニウム、０．１から０．３重量％のバナジウム、０．１から０．５重量％のチタン、残りはアルミニウムおよび除去不能な不純物を含む。この合金は好適には、３０ｐｐｍ未満のリンを有する。
特開２００４−２５６８７３号は、９．５重量％から１１．５重量％のシリコン、５．０から７．０％の銅、３．５から５．５％のニッケル、０．５５から１．５％のマグネシウム、０．００３から０．１％のリン、および、０．１５から０．７％の鉄、並びに、必要であれば、０．００５から０．３％のチタン、０．０２から０．３％のジルコニウム、０．０２から０．３％のバナジウム、０．００１から０．１％のホウ素、および、０．１から０．７％のマンガンの少なくともひとつ、残りはアルミニウムを含む合金を開示している。
特開２０００−２０４４２８号は、１１から１６％のシリコン、０．５から２．０％のマグネシウム、３から７％の銅、３から７％のニッケル、０．２から１．５％の鉄、０．２から１．０％のマンガン、０．００３から０．０１５％のリンおよび０．００２％以下のカルシウム、したがって、不純物を０．２％以下の含有量で含むアルミニウム合金から作成されたピストンに関する。さらに、０．０１から０．３％のチタン、０．０００１から０．０３％のホウ素、０．０１から０．３％のクロム、０．０１から０．３％のジルコニウム、または、同様の元素が含まれてよい。
最後に、特開平８−１３４５７７号は、１から７％の銅、１０から１６％のシリコン、０．３から２％のマグネシウム、０．５から２％の鉄、０．１から４％のマンガン、０．０１から０．３％のチタン、０．００１から０．０２％のリン、０．０００１から０．０２％のカルシウム、並びに、必要であれば、０．２から６％のニッケルを含むアルミニウム合金を説明している。
本願発明のひとつの目的は、重力鋳造法を使って高い熱抵抗を有するエンジンコンポーネントを生成するべく、重力鋳造方法を使って鋳造されるアルミニウム合金、特に、内燃エンジン用のピストンであるエンジンコンポーネントを製造する方法を与えることである。
この目的は、請求項１に記載の方法によって解決される。また本願発明の好適な実施形態はその従属項から明らかである。
本願発明の他の目的は、高い熱抵抗を有し、少なくとも部分的にアルミニウム合金を有する、特に、内燃エンジン用のピストンエンジンコンポーネントを与えることである。
この目的は請求項８に記載の発明主題によって解決される。さらに好適な実施形態はその従属項から明らかである。
本願発明に従う方法において、アルミニウム合金は、
シリコン：９重量％から１０．５重量％以下
ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満
銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満
コバルト：１重量％未満
マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％
鉄：０．１重量％から０．７重量％
マンガン：０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満
バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満
チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：０．００４重量％から０．００８重量％
の元素を含む。
アルミニウム合金は、好適には、約９から約１０．５以下、さらに好適には、約１０未満、特に好適には約９．５未満、または、さらに好適には、約９．５から約１０．５重量％のシリコンと、
好適には約２．３より大きい、さらに好適には約３より大きく約３．５未満、またはさらに好適には約２．５からより好適には約２．９から約３重量％のニッケルと、
好適には約３．８より大きい、さらに好適には約４より大きく、特に好適には約４．８より大きく約５．２まで、またはさらに好適には約３．７より大きく約５未満、特に好適には４未満、またはさらに好適には約４であり、特に好適には約４．１から約４．６重量％の銅と、
好適には、約０．５より大きく、さらに好適には約０．９より大きく、約１重量％未満のコバルトと、
好適には約０．５、さらに好適には約０．６より大きく、特に約０．７から約１．５未満で、さらに好適には約０．８未満、さらに好適には約１より大きく、さらに好適には約１．３より大きく、約１．５重量％以下のマグネシウムと、
好適には約０．５より大きく、さらに好適には約０．６より大きく約０．７以下、または、さらに好適には約０．４５から約０．５重量％以下の鉄と、
好適には約０．１から約０．２未満、またはさらに好適には約０．２５より大きく約０．４重量％以下のマンガンと、
好適には約０．１２から、さらに好適には約０．１３から約０．１９重量％のジルコニウムと、
好適には約０．１２から約０．１４重量％のバナジウムと、
好適には約０．０５から約０．１５未満、または、さらに好適には約０．１１、特に好適には約０．１２より大きく、約０．１３重量％未満のチタンと、
好適には約０．００５から約０．００６重量％のリンとを含む。
選択したアルミニウム合金により、重力鋳造法を使ってエンジンコンポーネントを製造することが可能になる。それは、精密度の高いプロポーション分布と、高温耐性、熱安定性フェーズおよび精密マイクロ構造を有する。本願発明に従う合金を選択することで、例えば、酸化時または一次フェーズにおけるクラック発生およびクラック成長の感受性、ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命が、ピストンおよび類似のエンジンコンポーネントを製造するための周知の方法に比べて減少する。
本願発明に従う合金、特に、比較的低いシリコン含有量は、本願発明に従って製造されたピストンの高い熱ストレスがかかる少なくともボウルリム領域において、比較的低くかつより精密な一次シリコンを導く。その結果、合金は本願発明に従って製造されるピストンの特に良好な特性を導く。高い熱抵抗のエンジンコンポーネントは、重力鋳造方法を使って製造可能となる。本願発明に従う銅、ジルコニウム、バナジウム、および、チタンの比率は、特に、ジルコニウム、バナジウムおよびチタンの比較的高い比率は、大きな板状の金属間フェーズを生じさせることなく、沈殿物を強化する有利なプロポーションを製造する。本願発明に従うコバルトおよびニッケルのプロポーションは、合金の熱抵抗を増加させるためにさらに有利である。それにより、ニッケルは熱的に安定な金属間フェーズを形成するのに寄与する。また、コバルトは硬度を増加させ、一般に合金の強度を増加させる。核形成剤としてのリンは、一次シリコン沈殿物ができるだけ精密かつ均一に分布するように沈殿することを保証するのを助ける。
アルミニウム合金は、好適には、０．６重量％から０．８重量％のマグネシウムを有する。それは、好適な濃度範囲において、過度の酸素形成を生じさせることなく特に二次強化フェーズの有効な形成に寄与する。合金は、さらに、付加的または代替的に、好適には０．４重量％から０．６重量％の鉄を有する。これは、鋳造モールド内の合金の接着性を減少させる。それにより、板状フェーズの形成は、上述した濃度範囲に制限されたままとなる。
アルミニウム合金中のマンガンに対する鉄の重量比率は、多くても約５：１が有利であり、好適には、約２．５：１である。この実施形態において、アルミニウム合金は、マンガンの一部に対して多くとも５部の鉄を含み、好適には一部のマンガンに対して約２．５部の鉄を有する。エンジンコンポーネントの特に有利な強度特性はこの比率によって達成される。
より好適には、ニッケルおよびコバルトの合計は、２．０重量％より大きく、３．８重量％未満である。したがって下限値は合金の有利な強度を保証し、上限値は精密なマイクロ構造を有利に保証し、かつ、強度を減少させる板状フェーズの形成を防止する。
アルミニウム合金は、有利なことに、特に、高いストレスがかかるボウルリム領域において、低含有率の気孔および含有物、および／または、微量のシリコンを含む精密なマイクロ構造を有する。低含有率の気孔は、好適には、０．０１％の気孔率として理解される。少量の一次シリコンは１％未満として理解される。精密なマイクロ構造はさらに有利には、一次シリコンの平均長が約５μｍ未満であり、その最大長が約１μｍ未満である。また、金属間フェーズおよび／または一次沈殿物は、約３０μｍ、多くても５０μｍ未満の平均長を有する。
アルミニウム合金にとって、特にボウルリム領域において、シリコン沈殿の面積平均値が、約１００μｍ２未満で、および／または、金属間フェーズの面積平均値が約２００μｍ２未満であることは、さらに好適である。
アルミニウム合金のマイクロ構造の特性は、定量的マイクロ構造解析によって好適に得られる。この目的のために金属組織断面がまず準備され、特に、技術的に重要なボウルリム領域に対応する顕微鏡写真が光学顕微鏡を使って撮られる。倒立光学顕微鏡が代わりに使用されてもよい。個々の画像は、定義された大きさで取られ、コンピュータによって、ある面積（例えば、５．５ｍｍ×４．１ｍｍ）に組み立てられる。特定フェーズの領域および領域プロポーションは画像処理ソフトウエアによって決定される。
精密なマイクロ構造は、熱機械的疲労強度を改善するのに特に寄与する。一次フェーズのサイズを制限することは、クラックの発生および成長の感度を減少させることができる。したがって、ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命を有意に増加させる。気孔および含有物のノッチ効果により、その含有量を低く保つことがさらに有利である。
本願発明に従うエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジンのピストンは、少なくともひとつの上述したアルミニウム合金からなる。本願発明のさらなる態様は、エンジンコンポーネントの製造用に上述したアルミニウム合金の使用にある。開示されたアルミニウム合金は重量鋳造法を使って特に処理される。
実施例
上述したアルミニウム合金の実施例である合金１は、１０．５重量％のシリコン、３重量％のニッケル、４．１重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１３重量％のジルコニウム、０．１２重量％のバナジウム、０．１３重量％のチタン、および、０．００６重量％のリンを有する。合金２は、９．５重量％のシリコン、２．９重量％のニッケル、４．０重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．４５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１２重量％のジルコニウム、０．１２重量％のバナジウム、０．１２重量％のチタン、および、０．００６重量％のリンを有する。合金３は、９．５重量％のシリコン、２．５重量％のニッケル、４．６重量％の銅、０．７重量％のマグネシウム、０．４５重量％の鉄、０．２重量％のマンガン、０．１９重量％のジルコニウム、０．１４重量％のバナジウム、０．１１重量％のチタン、および、０．００５重量％のリンを有する。それぞれの例において、残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物である。
独国特許第４４０４４２０Ａ１明細書 欧州特許第０９２４３１０Ｂ１号明細書 国際公開第００／７１７６７Ａ１号 独国特許第１０３３３１０３Ｂ３号明細書 欧州特許第１９７５２６２Ｂ１号明細書 国際公開第２０１０／０２５９１９Ａ２号 独国特許第１０２０１１０８３９６９号明細書 特開２００４−２５６８７３号公報 特開２０００−２０４４２８号公報 特開平８−１３４５７７号公報

Claims (15)

  1. アルミニウム合金が重力鋳造法を使って鋳造される、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストンを製造する方法であって、
    前記アルミニウム合金は、
    シリコン：９重量％から１０．５重量％以下、
    ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満、
    銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満、
    コバルト：１重量％未満、
    マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％、
    鉄：０．１重量％から０．７重量％、
    マンガン：０．１重量％から０．４重量％、
    ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満、
    リン：０．００４重量％から０．００８重量％、および
    残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物
    の元素を備える、方法。
  2. 前記アルミニウム合金は、好適には、０．６重量％から０．８重量％のマグネシウムを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記アルミニウム合金は、好適には、０．４重量％から０．６重量％の鉄を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記アルミニウム合金中のマンガンに対する鉄の重量比は、多くても約５：１であり、好適には、約２．５：１である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ニッケルと前記コバルトの合計は、好適には、２．０重量％より大きく、３．８重量％未満である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 特にボウルリム領域において、前記アルミニウム合金は低含有量の気孔および含有物、および／または、微量の一次シリコンを含む精密マイクロ構造を有し、気孔率は０．０１％および／または一次シリコンの含有率は１％未満であり、前記一次シリコンは５μｍ未満の平均長を有し、および／または、１０μｍ未満の最大長を有し、金属間フェーズおよび／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長を有し、および／または、５０μｍ未満の最大長を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 特に前記ボウルリム領域において前記アルミニウム合金は、面積平均値が約１００μｍ２未満のシリコン沈殿物領域、および／または、面積平均値が約２００μｍ２未満の金属間フェーズ領域を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 少なくとも一部がアルミニウム合金からなるエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストンであって、
    前記アルミニウム合金は、
    シリコン：９重量％から１０．５重量％以下、
    ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満、
    銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満、
    コバルト：１重量％未満、
    マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％、
    鉄：０．１重量％から０．７重量％、
    マンガン：０．１重量％から０．４重量％、
    ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満、
    リン：０．００４重量％から０．００８重量％、および
    残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物
    の元素を備える、内燃エンジン用ピストン。
  9. 前記アルミニウム合金は、好適には、０．６重量％から０．８重量％のマグネシウムを含む、ことを特徴とする請求項８に記載のピストン。
  10. 前記アルミニウム合金は、好適には、０．４重量％から０．６重量％の鉄を含む、ことを特徴とする請求項８または９に記載のピストン。
  11. 前記アルミニウム合金中のマンガンに対する鉄の重量比は、多くても約５：１であり、好適には約２．５：１である、請求項８から１０のいずれか一項に記載のピストン。
  12. 前記ニッケルと前記コバルトの合計は、好適には、２．０重量％より大きく、３．８重量％未満である、請求項８から１１のいずれか一項に記載のピストン。
  13. 特にボウルリム領域において、前記アルミニウム合金は低含有量の気孔および含有物、および／または、微量の一次シリコンを含む精密マイクロ構造を有し、気孔率は０．０１％および／または一次シリコンの含有率は１％未満であり、前記一次シリコンは５μｍ未満の平均長を有し、および／または、１０μｍ未満の最大長を有し、金属間フェーズおよび／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長を有し、および／または、５０μｍ未満の最大長を有する、請求項８から１２のいずれか一項に記載のピストン。
  14. 特に前記ボウルリム領域において前記アルミニウム合金は、面積平均値が約１００μｍ２未満のシリコン沈殿物領域、および／または、面積平均値が約２００μｍ２未満の金属間フェーズ領域を有する、請求項８から１３のいずれか一項に記載のピストン。
  15. エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストンを製造するためのアルミニウム合金の使用であって、
    前記アルミニウム合金は、
    シリコン：９重量％から１０．５重量％以下、
    ニッケル：２．０重量％より大きく、３．５重量％未満、
    銅：３．７重量％より大きく、５．２重量％未満、
    コバルト：１重量％未満、
    マグネシウム：０．５重量％から１．５重量％、
    鉄：０．１重量％から０．７重量％、
    マンガン：０．１重量％から０．４重量％、
    ジルコニウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    バナジウム：０．１重量％より大きく、０．２重量％未満、
    チタン：０．０５重量％から０．２重量％未満、
    リン：０．００４重量％から０．００８重量％、および
    残りは、アルミニウムおよび除去不能な不純物
    の元素を備える、アルミニウム合金の使用。
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